Velikost částic (µm) 500 900 1200 2000
Usazovací rychlost (m.s-1) 1,5.10-2 3,0.10-2 4,1.10-2 7,3.10-2
Posledním experimentem, který byl s částicemi prováděn, bylo stanovení propustnosti porézní vrstvy, viz Obr. 4.
Obr. 4. Provádění experimentu - stanovení propustnosti vrstvy částic [16]
Za udržování konstantní hladiny nad vrstvou částic byl měřen objemový průtok kapaliny skrz vrstvu za čas. Experiment byl prováděn pro několik různých výšek vrstvy při různých výšek hladiny nad nimi. Výsledky testu jsou uvedeny na Obr. 5.
6
Obr. 5. Závislost tlakové ztráty na mimovrstvové rychlosti a výšce usazené porézní vrstvy částic koksu [16]
1.2 Cíle práce
Požadovaná mezní velikost částic byla stanovena na 500 µm. Částice větší než je tato hodnota se musí odseparovat a nesmí se dostat přes výstup separátoru.
Prvním z úkolů bylo zpracovat rešerši zaměřenou na konstrukci separátorů. Tímto se budu zabývat v kapitole 2. Dalším úkolem byl návrh laboratorní jednotky dle zadaných parametrů, který byl proveden v kapitole 3 a její návrhový a konstrukční výpočet v kapitole 4, následovaný tvorbou výkresové dokumentace. Dobu, během které byl separátor ve výrobě, jsem využil k ověření realizace separace gravitačním způsobem díky orientační CFD simulaci. Posledním úkolem práce bylo ověření instalace celé jednotky ve vyhrazených prostorách laboratoře ústavu procesní a zpracovatelské techniky.
2. Teoretické možnosti řešení
Možností separace suspenze částice – kapalina je v dnešní době mnoho. Zaleží mimo jiné na tom, jak velké částice chceme odseparovat, nebo o jaké prostředí se jedná. V tomto případě jsem hledal nejlepší možné řešení kontinuální separace částic větších než 500 µm.
Z usazovacích metod pro dvoufázové prostředí se nabízí hned několik možností.
Sedimentace, odstředění či filtrace jsou po mnoho let rozšířené metody používané v průmyslu.
7
2.1 Gravitační separátory
Sedimentace využívá pro separaci částic z kapaliny rozdílu hustot mezi kapalnou a pevnou částí roztoku. V ideálním případě by ze zařízení odcházely z jednoho výstupu částice a z druhého vytékala kapalina. Bohužel, takové zařízení není možné vytvořit. Vždy odchází kapalina s určitým množstvím částic a naopak odcházejí vlhké částice. Sedimentace, nebo také gravitační usazování využívá pro svou funkci gravitace. V toku roztoku se díky rozdílu hustot částice pohybují směrem dolů a kapalina pokračuje ve směru proudění. Pro zlepšení se často používají flokulanty. Ty zajistí shlukování částic, což se projeví vyšší hmotností shluku, který snáze klesá kapalinou. Čím větší je rozdíl hustot, tím probíhá sedimentace rychleji. Z hlediska tvaru částice pak rychleji sedimentují částice s kulovým tvarem než jehlovitě tvarované. Hlavním faktorem suspenze je koncentrace částic a pak také jejich rozdělení a seskupení. Při vyšší koncentraci částic je vyšší pravděpodobnost vzniku shluku a tím rychlejšího usazování.
Obr. 6. Průběh usazování [15]
Jedním ze základních usazovacích způsobů je kontinuální usazování v usazovací nádrži viz Obr. 7. Princip kontinuálního usazování v usazovací nádrži. Jak je zde popsáno, usazování probíhá kontinuálně, kdy se na jedné straně nádrže přivádí suspenze, která při svém toku k výstupu ztrácí vlivem gravitace těžší frakci. Tato metoda bývá doplněna o narážky, které slouží ke zpomalování toku a změně jeho směru, čímž docílíme účinnější separace.
8
Obr. 7. Princip kontinuálního usazování v usazovací nádrži [15]
Tuto konfiguraci je vhodné doplnit shrabovacím zařízením pro kontinuální odstraňování usazeného materiálu viz Obr. 8. Takto dosáhneme maximálního výkonu usazovacího zařízení a zkrátíme prodlevy, které bychom vytvářely odstavením kvůli čištění dna nádrže.
Obr. 8. Usazovák - lapač písku [1]
Dalším způsobem může být usazovák kruhového průřezu. Na Obr. 9 můžeme vidět jedno z možných provedení. Pro zabránění přebytečného víření je zde instalována zarážka u vstupu do separátoru, která nám usměrní vstupní proud. Kapalina následně pokračuje vzhůru, zatímco se díky náhlému rozšíření prostoru zpomalí rychlost proudění a částice dostanou šanci k usazení směrem ke spodnímu výstupu, kudy následně odchází.
9
Obr. 9. Gravitační způsob usazování - Oil separator for a welder [12]
2.2 Odstředivky
Odstředivá síla zvýší síly na ty částice, které jsou jindy v kapalině v klidu, tedy je-li rozdíl hustot částic a kapaliny menší. Odstředivky jsou dodávány v různých variantách i velikostech. Obvykle jsou poháněny samostatným motorem, který roztáčí centrální válcový či kuželový buben. Pracují v periodickém, polokontinuálním či kontinuálním režimu.
V zásadě rozlišuje hlavní dva druhy odstředivek - usazovací a filtrační. Zatímco u usazovacích odstředivek odchází lehčí kapalina poblíž rotoru a těžší částice se posunují po hladké stěně směrem ke svému výstupu, filtrační odstředivky mají odlišný postup. Zde kapalina odchází přímo stěnami tvořeny filtrační plachetkou či tenkým kovovým sítem.
Provoz takových odstředivek je názorně popsán na Obr. 10, Obr. 11 a Obr. 12.
10
Obr. 10. Princip talířové odstředivky – usazovací princip [14]
1 – pístové šoupátko, 2 – prostor pro uzavírací kapalinu, 3 – přepadový otvor, 4 – přívodní kohout, 5 – přívodní kanálek, 6 – prostor pro kapalinu, 7 – otvory pro výstup kalu, 8 – otvor pro výstup ovládací kapaliny
Obr. 11. Schéma usazovací odstředivky se šnekovým vyprazdňováním [14]
11
Obr. 12. Filtrační odstředivka s pulsačním vyprazdňováním [14]
1 – přívod suspenze, 2 – rozváděcí kužel, 3 – buben odstředivky, 4 – síto, 5 – pulsující píst, 6 – odvod filtrátu, 7 – výsypka, 8 – hydraulický válec, 9 – přívod promývací vody, 10 – výstup promývací vody
2.3 Vírové odlučovače
Mnoho výhod přináší oproti odstředivé metodě separace použití hydrocyklonu. Ten je nejenom levnější, ale také méně náročný na údržbu. Ve skutečnosti je to jeden z nejlevnějších způsobů separace. Příjemným bonusem je, že hydrocyklon neobsahuje žádné pohyblivé mechanické části, takže je méně náchylný na poruchy. Použití je v širokém rozsahu teplot a tlaků až do cca 1 000°C a 500 barů. Hydrocyklony mohou být instalovány i v uspořádání za sebou čímž zvýšíme účinnost separace. Nevýhodou je nutnost vytvoření rychlého proudění což při větších průměrech vyžaduje poměrně vysoké sací či čerpací výkony. Princip je velmi jednoduchý viz Obr. 13.
12
Obr. 13. Princip funkce hydrocyklonu [15]
2.4 Filtrace
2.4.1 Koláčová filtrace
Obdoba koláčové filtrace byla již naznačena u odstředivek. Využíváme nahromaděných částic k filtraci. Princip je zobrazen na Obr. 14. Takový filtr má velmi jednoduchou konstrukci. Proud kapaliny, kterou chceme vyčistit, tlačíme skrz přepážku tvořenou zespoda filtračním médiem tvořeným jemným sítem, nebo plachetkou. Na tomto médiu se vytvoří vrstva pevného sedimentu z kapaliny, kterou nazýváme filtrační koláč. Samotný sediment nám vlastně pomáhá vytvořit potřebnou filtrační přepážku.
Obr. 14. Princip koláčové filtrace [15]
13 2.4.2 Filtry
Další možností separace je pomocí filtru. Ty mohou být tvořeny síty, rošty, tkaninou nebo plachetkami z různých materiálů v závislosti na vlastnostech separovaných částic. Filtrace spočívá v zachycování pevné složky na filtračním médiu. Filtrovaný materiál je následně kontinuálně odváděn, nebo periodicky odstraňován z povrchu filtru. Zástupce periodicky pracujícího filtru je na Obr. 15. kontinuálně pracující filtry pak na Obr. 16 a Obr. 17.
Obr. 15. Svíčkový filtr [1]
1 – plášť filtru, 2 – víko, 3 – odklápěcí dno, 4 – deska, 6 – kanálky pro filtrát, 7 – filtrační svíčky, 8 – sběrač filtrátu, 9 – perforovaná přepážka, 10 – přívod suspenze, 11 – hrdlo pro cirkulující suspenzi
14
Obr. 16. Pásový filtr [1]
1 – pryžový pás, 2 – filtrační plachetka, 3 – hnací buben, 4 – napínací buben, 5 – přívod suspenze, 6 – přívod promývací vody
Obr. 17. Filtrace s použitím šneku [15]
2.4.3 Membránová filtrace
Principem membránových procesů je rozdílná propustnost složek roztoku. Membrána se skládá z malých otvorů, takže částice větší než je velikost otvoru membránou neprojdou.
Můžeme tak dělit částice nejenom různých velikostí ale také tvarů. Rozdíl oproti filtraci je především ve velikosti použitého provozního tlaku. Pro přečerpání přes takovouto přepážku jsou zapotřebí větší tlaky než u filtrace. Můžeme tím ovšem tímto odseparovat částice mnohem menší velikosti. Další možností hnací síly můžou také být rozdílné koncentrace roztoků před a za membránou nebo elektrické potenciály.
15
Obr. 18. Princip membránových procesů [15]
Membrány se používají ve formě membránových modulů, v současné době v několika možných provedeních. Jsou to moduly deskové, trubkové, spirálově vinuté nebo moduly s dutými vlákny. Na ukázku jsem vybral trubkový modul na Obr. 19, kde je také popsán jeho princip a samotná konstrukce.
Obr. 19. Membránový modul [13]
Jak je možno vidět viz Obr. 20. Aplikace membránových procesů dle velikosti separovaných částic [13], mají membránové procesy široké využití. Pro náš problém jsou ale předimenzované. Použití membrány k separaci částic koksu by bylo vyhazování peněz za drahou technologii, navíc by pravděpodobně byly membrány příliš znehodnocovány abrazí tvrdých koksových částic.
16
Obr. 20. Aplikace membránových procesů dle velikosti separovaných částic [13]
3. Návrh separační jednotky 3.1 Požadavky na zařízení
Hlavním požadavkem na zařízení je variabilita provedení. Bude se na něm ověřovat několik vybraných způsobů separace. Prvním je jednoduchý gravitační usazovák, v několika možných uspořádáních, dále filtrace skrz vrstvu částic a nakonec filtrace přes svíčkový filtr nebo skrz cartridge. Od takové variability se odvíjí nutnost regulace. Tu můžeme provést buďto škrcením potrubí, nebo použitím frekvenčního měniče použitého čerpadla.
Skutečným pracovním médiem je olej, který díky své teplotě má dynamickou viskozitu podobnou vodě. Při našich experimentech budeme nejčastěji používat vodu, ale pro maximální variabilitu budeme uvažovat také ohřátý olej. Pracovní teplotu jsme zvolili 60°C, ale z důvodu bezpečnosti si necháme rezervu a výpočty budu provádět pro teplotu 100°C.
Důležitým požadavkem je také snadné čištění. Jelikož se bude měřit koncentrace částic na výstupu ze zařízení, mezi jednotlivými měřeními bude třeba zařízení dostatečně vyčistit
17
kvůli relevantnosti naměřených hodnot. Koncentrace částic se bude pohybovat v rozmezí 200 – 1000 ppm.
V neposlední řadě je nutno zařízení navrhovat pokud možno prostorově úsporné. K měření bude k dispozici část laboratoře ústavu procesní a zpracovatelské techniky, musím tedy myslet i na realizaci samotného měření v omezeném prostoru. Rozumný hlavní průměr usazováku, který postačí na experimentální měření a zároveň bude prostorově a ekonomicky úsporný byl po dohodě stanoven na 300 mm.
Jak jsem již zmínil, zkoušet se bude nejenom gravitační usazování, ale také filtrace přes nuč či přes filtry. Kvůli tomu musí být zařízení navrženo jako tlaková nádoba.
3.2 Basic design separátoru
Na základě analýz vlastností částic byl navržen gravitační separátor
Vnitřní průměr těla ∅d2=300 mm, vstupní průměr ∅d1=55,1, mm, výstupní průměr ∅d3=27 mm. Počet výstupních hrdel (4x) byl zvolen pro rovnoměrnost toku v celé délce hlavní části.
Pro relevantní experiment bylo počítáno s dobou experimentu 30 minut. Jelikož byla zvolená vzestupná rychlost, u2=0,008 m/s, ostatní rychlosti se snadno dopočítají z geometrických
18 Výstupní rychlost z jednoho výstupu:
𝑢3 =
Doba experimentu byla na základě zkušeností stanovena na 30 minut. K tomu je potřeba objem pracovní kapaliny:
𝑉 = 𝑉̇ ∙ 𝑡 (3.3)
𝑉 = 0,0005 ∙ 30 = 0,984 [𝑚3]
Obr. 21. Základní schéma zařízení Tlaková ztráta při konfiguraci filtrace skrz nuč:
Pro tuto konfiguraci počítám s maximálním průtokem zvoleného čerpadla.
Δ𝑝𝑧 = 1
𝐾∙ 𝜇 ∙ ℎ ∙ 𝑢0 (3.4)
Δ𝑝𝑧 = 1
2,4 ∙ 10−11∙ 0,0001 ∙ 0,5 ∙ 0,009431 = 0,196 [𝑀𝑃𝑎]
19 zamezíme případným nedopatřením nebo nehodám.
Separátor bude opatřen průhledítky, která nám umožní nahlédnout dovnitř a zkontrolovat správnou činnost. Pro možnost odebírání vzorku opatříme válcové části malými vstupy se závitem, po celé délce usazovací části viz Obr. 21.
3.3 Technologické schéma jednotky
Laboratorní jednotka se bude skládat z hlavního multifunkčního separátoru, čerpadla, dvou přečerpávacích nádrží IBC o objemu 1 m3, a ovládacího panelu. Je nutné opatřit čerpadlo frekvenčním měničem pro snadnou regulaci průtoku. Další potřebné prvky jsou ventily, kohouty, průtokoměry a pojistný ventil.
Aparátové listy jsou v příloze pod označením P15. Obsahují specifikaci pro:
- Snímač tlaku - Míchadlo pro IBC - Čerpadlo
- Pojistný ventil - Průhledítka
Technologické schéma viz Obr. 22 je v příloze, označeno P01.
20
Obr. 22. Technologické schéma
21
4. Konstrukční řešení separátoru
Jelikož má zařízení sloužit v reálných podmínkách, v laboratoři ústavu procesní a zpracovatelské techniky, musí být proveden výpočet pro tlakové nádoby podle příslušné normy. Na českém území se nejčastěji stále používá norma ČSN 690010-1.1. Proto jsem tuto normou použil také, jelikož má dostačující bezpečnost. Na následujících stranách je proveden výpočet jednotlivých částí, na které norma pamatuje. Pro snazší kontrolu uvádím i čísla kapitol v normě v hranatých závorkách. Seznam použitých veličin a výsledky včetně mezivýsledků uvádím v příloze P02.
4.1 Analýza silového zatížení separátoru – kategorizace nádoby [2.1]
Obr. 23. Analýza zatížení
22
Jedná se o nádobu kategorie 4 – nádoba s pracovním přetlakem nad 0,07 MPa která neslouží k uskladnění nebezpečných látek, pracovní teplota stěny do 100°C, maximální pracovní přetlak 0,6 MPa.
Výpočtová teplota [4.2]
Za výpočtovou teplotu stěny části tlakové nádoby se považuje nejvyšší hodnota teploty stěny, při normálním průběhu pracovního procesu. Provozní teplota byla zvolena 60°C, ale z důvodu bezpečnosti byla uvažována maximální teplota pracovní látky 100°C.
Nejvyšší pracovní a zkušební přetlak [4.2]
Nejvyšším pracovním přetlakem se rozumí nejvyšší vnitřní pracovní přetlak, vznikající při normálním průběhu pracovního procesu.
𝑝 = 0,6 𝑀𝑃𝑎 Zkušební přetkal se určuje podle [7.1]:
𝑝𝑍𝑘= max {1,25 ∙ 𝑝[𝜎]20
[𝜎] ; 0,2 𝑀𝑃𝑎} (4.1)
𝑝𝑍𝑘 = max {1,25 ∙ 0,6121
121; 0,2 𝑀𝑃𝑎} = max{0,75; 0,2} = 0,75 𝑀𝑃𝑎
4.2 Volba materiálu separátoru [3.1]
Materiál byl zvolen: nerezová ocel 1.4301 - Chrom niklová austenitická nestabilizovaná.